CN105471500A - 一种采用色温调制的led阵列成像定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用色温调制的LED阵列成像定位系统，发射机采用LED阵列结构，其中LED灯芯采用RGB三基色型的LED芯片，相邻的LED灯芯间留有距离，各LED芯片分别都配置一个与LED灯芯相连的色温调制驱动器，发射机配置一个与色温调制驱动器相连的LED-ID数据色温调制映射器；LED-ID数据色温映射器内部预置有一个信息映射表，根据该表的规则将串行二进制LED-ID数据调制成并行的多个二维色度数据信息，通过色温调制驱动器将多个二维色度数据信息转换成RGB三基色强度比值，驱动每颗灯芯按照不同的色温工作；接收机采用CMOS图像传感器对LED阵列光源进行拍照，获取不同色差的LED灯芯阵列图片，对图片进行光源区分割，根据CTM调制机制对各个子图片进行LED-ID信息解码处理，实现定位。

Description

一种采用色温调制的LED阵列成像定位系统

技术领域

本发明面向可见光通信和定位技术领域，提出了一种采用色温调制的LED阵列成像定位系统。

背景技术

目前，国内外针对可见光定位(VLP)系统技术的研究主要集中在两个方面，一是将传统射频定位算法应用在可见光定位场景中实现精确定位，二是利用摄像机成像摄影学原理实现精确定位(简称成像定位)。这些模型都有一个共同的假设前提，就是预先知道模型中的若干个LED光源的坐标值信息。LED-ID技术是一种最直接简单的定位方法。因此，发射机如何可靠地传输LED-ID定位信息，接收机如何正确地解码出LED-ID定位信息，是VLP定位系统的关键。

LED光源根据照明色温可以分为三种类型：暖白、正白和冷白。暖白LED色温值一般在2500K-3500K之间，视觉上呈现淡黄色，光线温暖；正白LED色温值一般在4000K-6000K之间，视觉上呈现白色，相当于正午阳光颜色；冷白LED色温值一般在6000K-8000K之间，视觉上呈现蓝白色，相当于天气放晴时的蓝天颜色。目前市面上已有可以调节色温的LED智能灯泡，可以根据温度调节灯泡颜色，例如天气热的时候调光到冷白，而天气冷的时候调光到暖白。

发明内容

鉴于传输LED-ID定位信息在可见光定位系统中的重要性，本发明提出了一种采用色温调制的LED阵列成像定位系统，是一种全新的调制技术，即色温调制(ColorTemperatureModulation，CTM)，以及基于CTM的LED阵列成像定位系统。该系统的发射机采用可进行色温调制的LED阵列平板灯，通过对LED阵列中的每个LED芯片进行色温调节来传输一组LED-ID信息，暖白光代表“0”，冷白光代表“1”，正白光代表“帧头”。接收机采用CMOS图像传感器(CIS)对LED阵列图片进行颜色识别解码出LED-ID信息。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种采用色温调制的LED阵列成像定位系统，包括发射机和接收机；

所述发射机采用LED阵列结构，LED阵列结构中的LED灯芯采用RGB三基色型的LED芯片，相邻的LED灯芯间留有距离，每颗LED芯片分别都配置一个与LED灯芯相连的色温调制驱动器，发射机配置一个与各色温调制驱动器相连的LED-ID数据色温调制映射器；LED-ID数据色温映射器内部预置有一个信息映射表，可根据该表的规则将串行二进制LED-ID数据调制成并行的多个二维色度数据信息，再通过色温调制驱动器将多个二维色度数据信息转换成RGB三基色强度比值，驱动每颗灯芯按照不同的色温工作；

所述接收机采用CMOS图像传感器对LED阵列光源进行拍照，获取不同色差的LED灯芯阵列图片，再对图片进行光源区分割，然后根据CTM调制机制对各个子图片进行LED-ID信息解码处理，从而实现定位。

优选的，所述二进制LED-ID数据中的比特数的50％设置为“1”，50％设置为“0”，即保证LED阵列光源50％的LED灯芯为暖白光，50％的LED灯芯为冷白光。

优选的，所述CMOS图像传感器前端安装一片用于对LED阵列结构光源发出的强光进行衰减的中性密度滤光镜。

优选的，所述对各个子图片进行LED-ID信息解码处理过程具体为：

第1步：获取LED阵列平板灯的有效光源区域；

第2步：对LED阵列中的单个LED灯芯光源区进行图像分割和定位，获取多个单LED灯芯光源区的中心坐标值，并以此为中心，分别获取多个M*M像素的小方块区域。在本实施例中，获取9个单LED灯芯光源区中心的坐标值，以此为中心分别获取9个20*20像素的小方块区域，如图5所示；

第3步：对上一步中获得的多个小方块区域进行颜色识别，即将小方块区域的像素值由RGB空间转化到HSV空间，通过比较小方块区域的平均像素值是否在HSV阈值范围内识别是否为暖白和冷白颜色；

第4步：从多个LED灯芯光源区的小方块区域识别出代表“帧头”的颜色，重组由多个小方块区域所代表的色温信息，进而形成一组完整的LED-ID信息。

本发明所提出的定位系统采用全新的色温调制技术，具有结构简单、解码复杂度低、光强保持恒定无闪烁感等优点，可在不改变LED照明体验的前提下，有效地实现LED-ID定位信息的传输与检测，同时还可解决定位对象的运动方向检测问题。

附图说明

图1是色温调制的一种色度星座图实施示例图。

图2是采用3*3阵列结构和色温调制技术的LED阵列成像定位系统架构图。

图3是LED阵列图片解码方法的一个实施例流程图。

图4是获取LED阵列平板灯的有效光源区域的处理示意图。

图5是对LED阵列有效光源区进行图像分割并获取小方块区域的处理示意图。

图6是获取LED阵列光源有效光源区的方法流程图。

图7是本实施例系统判断定位对象运动方向的处理示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明对LED-ID信息进行调制传输的基本思想是采用不同色温的单颗LED灯芯代表二进制数据。例如，暖白光代表“0”，冷白光代表“1”，正白光代表帧头标识符。本实施例根据CIE1931色度坐标图和LED光源照明色温标准，在色图坐标图的色温照明区域选取了三个色度坐标值，分别代表前述“1”、“0”和帧头标识符，如图1所示。具体地，本实施例在CIE1931色度坐标图冷白光色温区域选择8000K色温的色度坐标值[0.293,0.31]代表“1”，在正白光色温区域选择4000K色温的色度坐标值[0.378,0,37]代表帧头标识符，在暖白光色温区域选择2700K色温的色度坐标值[0.47,0.43]代表“0”。

本实施例的系统发射机采用了一个3*3阵列结构的RGB型LED阵列光源，如图2所示。相邻LED灯具之间的距离设置为3cm左右，9颗LED灯芯构成了一个整体的LED阵列平板灯。每颗RGB型LED灯芯都配置一个与灯芯相连的独立的色温调制驱动器，如图2虚线所示。色温调制驱动器的作用是将色度星座点的XY色度坐标值转换成RGB三基色强度分量比值，以驱动LED灯芯按照指定的色温进行工作。转换采用如下方程组：

$AP=B\⇒\left[\begin{array}{ccc}{x}_r& x_g& x_b\\ y_r& y_g& y_b\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}_r\\ P_g\\ P_b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中：[x_r,y_r]为红色色度坐标值，x_r＝0.734,y_r＝0.265；[x_g,y_g]为绿色色度坐标值，x_g＝0.011,y_g＝0.733；[x_b,y_b]为蓝色色度坐标值，x_g＝0.169,y_g＝0.007。[x,y]为已知的需进行转化的色度坐标值(即色度星座点的坐标值)，P_r、P_g和P_b分别为红色、绿色和蓝色的归一化强度分量。例如，以代表二进制数据“1”的色度坐标值为例，可设定代表“1”的星座点的XY色度坐标值为[0.293,0.31]。根据公式(1)，已知左侧颜色矩阵A为[0.734,0.011,0.169；0.265,0.733,0.007；1,1,1]，且右侧矩阵B为[0.293；0.31；1]，则可计算得到P＝A\B＝[0.3058；0.3087；0.3855]，其中P为RGB归一化强度分量矩阵。

如图2所示，本实施例的发射机配置有一个内部预置了一个信息映射表的LED-ID数据色温调制映射器，与9个色温调制驱动器相连。LED-ID数据色温调制映射器的作用是将串行二进制LED-ID数据根据信息映射表转换成并行的9个二维色度坐标值，并将9个二维色度坐标值输入至9个独立的色温调制驱动器，以实现色温调制。其中一种信息映射表的格式如表1所示。

表1：信息映射表

二进制数据	XY色度坐标值	色温(K)
			“0”	[0.47,0.43]	暖白：2700K
“1”	[0.293,0.31]	冷白：8000K
			帧起始标识符	[0.378,0,37]	正白：4000K

接收机采用CMOS图像传感器对LED阵列光源进行拍照，CMOS图像传感器前端安装一片中性密度滤光镜(减光片)，用来对LED阵列光源发出的强光进行适当的衰减。为在成像平面上形成不同颜色色差的LED灯芯图片，可以将CMOS图像传感器的曝光值设置为较低值。接收机获取了不同色差的LED芯片阵列图片后，需对图片进行LED-ID信息解码处理。LED色温阵列图片解码算法流程如图3所示，其具体实施步骤为：

第1步：获取LED阵列(本例为3*3阵列)平板灯的有效光源区域，如图4所示。图4中的左图为CIS拍摄到的LED阵列平板灯图片，右图为其有效光源区域图片；

第2步：对LED阵列中的单个LED灯芯光源区进行图像分割和定位，获取多个单LED灯芯光源区的中心坐标值，并以此为中心，分别获取多个M*M像素的小方块区域。在本实施例中，获取9个单LED灯芯光源区中心的坐标值，以此为中心分别获取9个20*20像素的小方块区域，如图5所示；

第3步：对上一步中获得的多个LED灯芯光源区的小方块区域进行颜色识别。具体方法是将小方块区域的像素值由RGB空间转化到HSV空间，通过比较小方块区域的平均像素值是否在HSV阈值范围内识别是否为暖白和冷白颜色；

第4步：从多个LED灯芯光源区的小方块区域识别出代表“帧头”的颜色，重组由多个小方块区域所代表的色温信息，进而形成一组完整的LED-ID信息。如图5所示的实施例中，最后通过图片解码得到的LED-ID信息为“01010101”。

在上述第1步和第2步中，需要获取LED阵列、单个LED灯芯的有效光源区，如图5所示。本发明提出一种方法解决此问题，其具体流程如图6所示，简述如下：

第101步：将拍照形成的RGB彩色图片转换成255级灰度图像；

第102步：将灰度图像转换成二值图像，阈值可选取采用Otsu算法、平均阈值法或迭代式平均阈值法等；

第103步：对二值图片进行“行”扫描，对每一行的像素求和，将每行像素和值大于K的行序号赋给一个数组REC，其中K为一个正整数阈值(例如10)，再对数组REC求最小值和最大值，则最小值REC_min就是光源有效区的最小行值，最大值REC_max就是光源有效区的最大行值；

第104步：对二值图片进行“列”扫描，对每一列的像素求和值，将每列像素和值大于K的列序号赋给一个数组CEC，再对数组CEC求最小值和最大值，则最小值CEC_min就是光源有效区的最小列值，最大值CEC_max就是光源有效区的最大列值；

第105步：矩形区域[CEC_min,REC_min,CEC_max,REC_max]确定后，截取出原始RGB彩色图像的对应图片区域。

图3给出的LED阵列图片解码方法的一个实施例中，如以HSV颜色空间为例进行颜色识别，第103步需要计算色温HSV阈值，需要将代表信息的归一化RGB分量转换成HSV分量。如表2所示，转换可采用如下公式：

V＝max(R,G,B)，(2)

$S=\left\{\begin{array}{cc}\frac{V-min(R,G,B)}{V}& V\≠0\\ 0& V=0\end{array}\right.,---\left(3\right)$

$H=\left\{\begin{array}{cc}0+\frac{60(G-B)}{S}& V=R\\ 120+\frac{60(B-R)}{S}& V=G\\ 240+\frac{60(R-G)}{S}& V=B\end{array}\right.,---\left(4\right)$

其中：0≤R,G,B≤1。如果在RGB、HSL等颜色空间进行识别，则需要将上述公式进行变换，计算对应的RGB、HSL阈值。相应地，表2的映射表也需要进行相匹配的定义修改。

表2：一种表征LED色温信息的RGB-HSV分量映射表范例

从表2中可看出，本实施例选择的三个色温颜色的亮度(V)区分间隔很小，因此不宜用亮度来做为阈值判决。帧起始标识符的判定可采用饱和度(S)进行阈值判决，而二进制数据“0”和“1”的判定则可采用色调(H)进行阈值判决。

除可提供LED-ID定位信息的高性能解码外，本发明还可有效解决定位对象的运动方向检测问题。例如，在本实施例中，可以规定如图4所示的LED阵列平板灯的西北角(或者其他特殊位置)的LED灯芯发送“正白光”(即帧起始标识符)，则根据CIS拍摄的图片中，代表“帧起始符号”的正白光灯芯在图片上的位置，可以检测定位对象的移动方向：

(1)“帧起始符号”位于图片的西北角，表示定位对象从南向北移动；

(2)“帧起始符号”位于图片的东南角，表示定位对象从北向南移动；

(3)“帧起始符号”位于图片的西南角，表示定位对象从西向东移动；

(4)“帧起始符号”位于图片的东北角，表示定位对象从东向西移动。

本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以扩展到更多的场景。例如，采用4*4阵列、5*5阵列或其他非正方形的RGB型LED芯片的阵列结构，LED色温XY坐标值的选择也可以根据实际情况适度调整，帧头标识符也可以用“不亮灯”来表示，等等。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种采用色温调制的LED阵列成像定位系统，包括发射机和接收机；其特征在于，

所述发射机采用LED阵列结构，LED阵列结构中的LED灯芯采用RGB三基色型的LED芯片，相邻的LED灯芯间留有距离，每颗LED芯片分别都配置一个与LED灯芯相连的色温调制驱动器，发射机配置一个与各色温调制驱动器相连的LED-ID数据色温调制映射器；LED-ID数据色温映射器内部预置有一个信息映射表，可根据该表的规则将串行二进制LED-ID数据调制成并行的多个二维色度数据信息，再通过色温调制驱动器将多个二维色度数据信息转换成RGB三基色强度比值，驱动每颗灯芯按照不同的色温工作；

所述接收机采用CMOS图像传感器对LED阵列光源进行拍照，获取不同色差的LED灯芯阵列图片，再对图片进行光源区分割，然后根据CTM调制机制对各个子图片进行LED-ID信息解码处理，从而实现定位。

2.根据权利要求1所述的采用色温调制的LED阵列成像定位系统，其特征在于，所述二进制LED-ID数据中的比特数的50％设置为“1”，50％设置为“0”，即保证LED阵列光源50％的LED灯芯为暖白光，50％的LED灯芯为冷白光。

3.根据权利要求1所述的采用色温调制的LED阵列成像定位系统，其特征在于，所述CMOS图像传感器前端安装一片用于对LED阵列结构光源发出的强光进行衰减的中性密度滤光镜。

4.根据权利要求1所述的采用色温调制的LED阵列成像定位系统，其特征在于，所述对各个子图片进行LED-ID信息解码处理过程具体为：

第1步：获取LED阵列平板灯的有效光源区域；

第2步：对LED阵列中的单个LED灯芯光源区进行图像分割和定位，获取多个单LED灯芯光源区的中心坐标值，并以此为中心，分别获取多个M*M像素的小方块区域。在本实施例中，获取9个单LED灯芯光源区中心的坐标值，以此为中心分别获取9个20*20像素的小方块区域，如图5所示；

第3步：对上一步中获得的多个小方块区域进行颜色识别，即将小方块区域的像素值由RGB空间转化到HSV空间，通过比较小方块区域的平均像素值是否在HSV阈值范围内识别是否为暖白和冷白颜色；

第4步：从多个LED灯芯光源区的小方块区域识别出代表“帧头”的颜色，重组由多个小方块区域所代表的色温信息，进而形成一组完整的LED-ID信息。